Для описания физических явлений Галилей ввел понятие инерциальной системы. В такой системе тело, на которое не действует какая-либо сила, находится в покое или в состоянии равномерного прямолинейного движения. Законы, описывающие механическое движение, в различных инерциальных системах одинаково справедливы, то есть не изменяются при переходе от одной системы координат к другой. Например, если пассажир идет в движущемся вагоне поезда в направлении его движения со скоростью %%v_1 = 4%% км/ч, а поезд движется со скоростью %%v_2 = 46%% км/ч, то скорость пассажира относительно железнодорожного полотна будет %%v_Σ = v_1 + v_2 = 50%% км/ч, то есть здесь имеется сложение скоростей. По «здравому смыслу» это незыблемый факт:
$$v_Σ = v_1 + v_2$$
Однако в мире больших скоростей, соизмеримых со скоростью света, указанная формула сложения скоростей просто неверна. В природе свет распространяется со скоростью %%с = 300 000%% км/с независимо от того, в какую сторону по отношению к наблюдателю движется источник света.
В 1905 г. в немецком научном журнале «Анналы физики» 26-летний Альберт Эйнштейн опубликовал статью «Об электродинамике движущихся тел». В этой статье он сформулировал два знаменитых постулата, которые легли в основание частной, или специальной, теории относительности (СТО), изменившей классические представления о пространстве и времени.
В первом постулате Эйнштейн развил классический принцип относительности Галилея. Он показал, что этот принцип является всеобщим, в том числе и для электродинамики (а не только для механических систем). Это положение не было однозначным, так как потребовалось отказаться от ньютоновского дальнодействия.
Обобщенный принцип относительности Эйнштейна утверждает, что
никакими физическими опытами (механическими и электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно или покоится. При этом пространство и время являются связанными друг с другом, зависящими друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга).
Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла – это принцип постоянства скорости света в вакууме, которая примерно равна 300 000 км/с.
Скорость света – это самая большая скорость в нашей Вселенной. Больше скорости 300 000 км/с в окружающем нас мире быть не может.
В современных ускорителях микрочастицы разгоняются до огромных скоростей. Например, электрон разгоняется до скорости %%e = 0,9999999 С%%, где %%v_e, С%% – скорости электрона и света соответственно. При этом, с точки зрения наблюдателя, масса электрона возрастает в 2500 раз:
$$m_e=\frac{m_{e0}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$$
Здесь %%m_{e0}%% – масса покоя электрона, %%m_e%% – масса электрона на скорости %%v_e%%. Достичь скорости света электрон не может Однако существуют микрочастицы, которые имеют скорость света, их называют «люксоны».
К ним относятся фотоны и нейтрино. У них практически нет массы покоя, их нельзя затормозить, они всегда движутся со скоростью света %%с%%. Все остальные микрочастицы (тардионы) движутся со скоростями меньше скорости света. Микрочастицы, у которых скорость движения могла бы быть больше скорости света, называют тахионами. Таких частиц в нашем реальном мире нет.
Исключительно важным результатом теории относительности является выявление связи между энергией и массой тела. При малых скоростях
$$E \approx m_0c^2+\frac{m_0v^2}{2} = E_0+E_K $$
где %%E = m_0c^2%%– энергия покоя частицы с массой покоя %%m_0%%,а %%E_K%% – кинетическая энергия движущейся частицы.
Огромным достижением теории относительности является установленный ею факт эквивалентности массы и энергии (%%E = m_0c^2%%). Однако речь идет не о превращении массы в энергию и наоборот, а о том, что превращение энергии из одного вида в другой соответствует переходу массы из одной формы в другую. Энергию нельзя заменить массой, так как энергия характеризует способность тела выполнять работу, а масса – меру инерции.
При скоростях релятивистских, близких к скорости света:
$$E=mc^2+\frac{m_{0}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}c^2 $$
где %%E%% – энергия, %%m%% – масса частицы, %%m%% – масса покоя частицы, %%с%% – скорость света в вакууме.
Из приведенной формулы видно, что для достижения скорости света частице нужно сообщить бесконечно большую энергию. Для фотонов и нейтрино эта формула несправедлива, так как у них %%v = c%%.
| Специальная теория относительности (СТО) | Общая теория относительности |